微波课程设计概述.docx
- 文档编号:28889456
- 上传时间:2023-07-20
- 格式:DOCX
- 页数:21
- 大小:415.03KB
微波课程设计概述.docx
《微波课程设计概述.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《微波课程设计概述.docx(21页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
微波课程设计概述
太原理工大学现代科技学院
微波技术与天线课程设计
专业班级电子信息12-1班
学号2012101538
姓名王琴
指导教师刘建霞
太原理工大学现代科技学院
专业班级
电信12-1
学生姓名
王琴
课程名称
微波技术与天线课程设计
设计名称
螺旋天线设计
设计周数
1.5周
指导教师
刘建霞
设计
任务
主要
设计
参数
1、熟悉HFSS仿真平台的使用
2、熟悉微带天线的工作原理与设计方法
3、在HFSS平台上完成如下仿真设计
螺旋天线设计参数:
中心频率 f=4GHZ
螺旋导体的半径 d=23.85mm;
螺旋线导线的半径 a=3mm;
螺距 s=16.62mm;
圈数 N=5;
轴向长度 l=Ns;
4、结合同组其他同学的设计结果完成对于该天线结构参数与性能之间关系的探讨
5、在1.5周内完成设计任务
设计内容
设计要求
1、6.15:
分组、任务分配、任务理解
2、6.16:
查阅参考资料,理论上熟悉所设计的器件的工作原理与特性,完成方案的设计
3、6.17~6.19:
熟悉仿真平台的使用,完成在平台上的建模,设置,结果提取与分析,以及验收。
4、6.22:
同组同学结果汇总及讨论
5、6.23~6.24:
设计说明书的撰写
在设计过程中,作为设计小组成员,每位同学要具有团队意识和合作精神,并最终独立完成自己的设计任务。
主要参考
资料
刘学观,微波技术与天线,西安电子科技大学电出版社,2008
顾继慧,微波技术,科学出版社,2007
李明洋,HFSS应用设计详解,人民邮电出版社,2010
学生提交
归档文件
1、相关知识及基本原理
2、参数归纳:
材质、尺寸
3、软件仿真过程及结果分析
4、设计总结
课程设计任务书
注:
课程设计完成后,学生提交的归档文件应按,封面—任务书—说明书—图纸的顺序进行装订上交(大张图纸不必装订)
指导教师签名:
日期:
螺旋天线的仿真设计
一、设计题目:
螺旋天线的仿真设计
二、设计目的:
(1)熟悉Ansoft HFSS软件的使用。
(2)学会螺旋天线的仿真设计方法。
(3)完成螺旋天线的仿真设计,并查看S参数以及场分布。
三、设计要求:
螺旋天线是一种常用的典型的圆极化天线,本设计就是基于螺旋天线的基础理论及熟练掌握HFSS10软件的基础上的,设计一个右手圆极化螺旋天线,要求工作频率为4G,分析其远区场辐射特性以及S曲线。
螺旋天线通常用同轴线馈电,天线的一端与同轴线的内导体相连,另一端则处于自由状态。
图一:
螺旋天线示意图
本设计参数:
中心频率 f=4GHZ,
螺旋导体的半径 d==23.85mm;
螺旋线导线的半径 a=3mm;
螺距 s=16.62mm;
圈数 N=5;
轴向长度 l=Ns;
四、实验原理
1、螺旋天线(helical antenna)是一种具有螺旋形状的天线。
它由导电性能良好的金属螺旋线 组成,通常用同轴线馈电,同轴线的心线和螺旋线的一端相连接,同轴线的外导体则和接地 的金属网(或板)相连接,该版即为接地板。
螺旋天线的辐射方向与螺旋线圆周长有关。
当 螺旋线的圆周长比一个波长小很多时,辐射最强的方向垂直于螺旋轴;当螺旋线圆周长为一 个波长的数量级时,最强辐射出现在螺旋旋轴方向上。
2、螺旋天线的技术指标
(1)方向图:
天线的辐射方向图(简称方向图)是天线的辐射参量随着空间方向变化的图形表示。
所谓辐射参量包括辐射的功率密度、场强、相位和极化,在通常的情况下辐射方向图在远场区域测定,并表示为空间方向坐标的函数(称为方向函数)。
实际上,我们最关心的是天线辐射能量的空间分布,在没有特别指明的情况下,辐射方向图一般均指功率通量密度的空间分布,有时指场强的空间分布。
由电基本振子的分析可知,天线辐射出去的电磁波虽然是一球面波,但却不是均匀球面波,因此,任何一个天线的辐射场都是具有方向性。
所谓方向性,就是在相同距离的条件下天线辐射场的相对值与空间方向的关系,如图2所示:
图二
若天线辐射电场强度为州,r民司,把电场强度的绝对值写成
|E(
)|=
f(
)
式中I为归算电流;f(θ,Φ)为场强方向函数。
因此。
方向图函数可定义为
f(
)=
fmax(θ,
)为方向函数的最大值,Emax为最大辐射方向上的电场强度,E(θ,
)为同一距离上方向上的电场强度。
天线的辐射方向图表征天线辐射特性空间角度的关系。
在实际工程中常常采用包括最大辐射方向两个相互垂直的剖面(E面和H面)表示天线的立体方向图。
其中,E面即电场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面;H面即磁场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面。
绘制方向图可以采用极坐标也可以采用直角坐标。
极坐标方向图形象、直观,但对方向性很强的天线难于确表示。
直角坐标方向图不如坐标方向图直观,但可以精确地表示强方向性天线的方向图。
有关方向图所包含的几个参数:
A、瓣宽度:
波瓣宽度是定向天线常用的一个很重要的参数,它是指天线的辐射图中低于峰值d3B处所成夹角的宽度。
如果方形图只有一个主波束,辐射功率的集中程度可以用两个主平面内的波瓣宽度来表征。
通常用主瓣最大值两侧,功率通量密度下降到最大值的一半(或场强下降到最大值的0.707),即下降3分贝的两个方向之间的夹角称为半功率波瓣宽度,一般记为2θ0.5E和2θ0.5H。
天线垂直的波瓣宽度一般与该天线所对应方向上的覆盖半径有关。
因此,在一定范围内通过对天线垂直度(俯仰角)的调节,可以达到改善小区覆盖质量的目的,这也是我们在网络优化中经常采用的一种手段。
主要涉及两个方面水平波瓣宽度和垂直平面波瓣宽度。
水平平面的半功率角:
(45°,60°,90°等)定义了天线水平平面的波束宽度。
角度越大,在扇区交界处的覆盖越好,但当提高天线倾角时,也越容易发生波束畸变,形成越区覆盖。
角度越小,在扇区交界处覆盖越差。
提高天线倾角可以在移动程度上改善扇区交界处的覆盖,而且相对而言,不容易产生对其他小区的越区覆盖。
在市中心基站由于站距小,天线倾角大,应当采用水平平面的半功率角小的天线,郊区选用水平平面的半功率角大的天线;垂直平面的半功率角(V一PlaneHalfPOwerbeamwidth):
(48º,33º,15º,8º)定义了天线垂直平面的波束宽度。
垂直平面的半功率角越小,偏离主波束方向时信号衰减越快,在越容易通过调整天线倾角准确控制覆盖范围。
B、副瓣宽度:
式中Sab,max2,Sab,max和Eav,max2,Eav,max分别为最大副瓣和主瓣的功率密度最大值;凡xaZ和凡以分别为最大副瓣和主瓣的场强最大值。
副瓣一般指向不需要辐射的区域,因此要求天线的副瓣应尽可能的低。
C、前后比:
指主波瓣最大值与后波瓣最大值之比,通常也用分贝表示。
通常表明了天线对后瓣抑制的好坏。
选用前后比低的天线,天线的后波瓣有可能产生越区覆盖,导致切换关系混乱,产生掉话。
一般在25一30db之间,应优先选用前后比为30的天线。
(2)方向性系数:
发射天线的方向性系数表征天线辐射的能量在空间分布的集中能力。
定义为相同辐射功率情况下,天线在给定方向上的辐射强度与平均辐射强度之比,即
D(
)=
式中,E(
)是该天线在(
)方向上某点产生的场强;E0是全方向点源天线在同一点产生的场强。
接收天线的方向性系数表征天线从空间接收电磁的能量的能力,定义为相同来波场强的情况下,天线在某方向上接收时向负载输出的功率与点源天线在同方向润滑剂地向负载输出的功率之比。
(3)增益:
在相同的输入功率下,某天线产生于某点的电场强度的平方(E2)与无耗理想电源天线产生在同一点的电场强度的平方的比值,称作该天线在该点的增益,即
G=
D
式中, 为辐射功率与输入功率的比值,称为效率。
(4)输入阻抗:
天线通过传输线与发射机相连,天线作为传输线的负载,与传输线之间存在阻抗匹配问题。
天线与传输线的连接处称为天线的输入端,天线输入端呈现的阻抗值定义为天线的输入阻抗
。
是天线馈电端输入电压
与输入电流
的比值。
表示为
,天线的输入阻抗决定于天线的结构、工作频段以及周围环境的影响。
通常为50欧。
(5)极化:
极化是描述电磁波场矢量空间指向的一个辐射特性。
一般以天线最大辐射方向上的电场矢量的空间指向作为电磁波的极化方向。
天线的极化是指该天线在给定方向上的远区辐射电场的空间取向。
一般而言,特指为该天线在最大辐射方向上的电场的空间取向。
实际上,天线的极化随着偏离最大辐射方向而改变,天线不同辐射方向可以有不同的极化。
天线不能接收与其正交的极化分量。
天线极化方式可分为线极化、圆极化和椭圆极化。
线极化分为水平极化、垂直极化和士45°极化。
(6)带宽:
天线的所有电参数都和工作频率有关。
任何天线的工作频率都有一定的范围,当工作频率偏离中心工作频率0f时,天线的电参数将变差,其变差的容许程度取决于天线系统的工作特性要求。
当工作频率变化时,天线的有关电参数变化的程度在所允许的范围内,此时对应的频率范围称为频带宽度(Bnadwidth)。
通常,若天线的最高工作频率为fmax,最低工作频率为fmin,。
对于窄带的天线,常用相对带宽,即
。
对于超宽频带天线,常用绝对带宽,即
。
五、设计仿真步骤
在HFSS建立的模型中,关键是画出螺旋线模型。
画螺旋线,现说明螺旋线模型的创建。
1、建立新的工程
运行HFSS,点击菜单栏中的Project>Insert Hfss Dessign,自动创建一个默认名称为Project1的新工程和名称为HFSSDesign1的新设计。
2、设置求解类型
(1)在菜单栏中点击HFSS>Solution Type。
(2)在弹出的Solution Type窗口中
A、选择Driven Terminal 。
B、点击OK按钮。
3、设置模型单位
将创建模型中的单位设置为毫米。
(1)在菜单栏中点击3D Modeler>Units。
(2)设置模型单位:
A、在设置单位窗口中选择:
mm。
B、点击OK按钮。
4、设置模型的默认材料
A、在工具栏中设置模型的下拉菜单中点击Select,在设置材料窗口中选择copper(铜)材料, 点击OK按钮(确定)确认。
5、创建螺旋天线模型
(1)创建螺旋线Helix。
在菜单中点击Draw>Circle
a.输入圆的中心坐标。
X:
11.25 Y:
0 Z:
0 ,按回车键结束。
b.输入圆的半径dX:
0.5 dY:
0 dZ:
0按回车键结束输入。
c.在特性(Porperties)窗口中将Axis改为Y。
点击确认。
d.在历史操作树中选中该circle。
在菜单键点击Draw>Helix,在右下角的输入栏中输入X:
0 Y:
0 Z:
-7.5,按回车键结束输入;在右下角的输入栏中输入dX:
0 dY:
0 dZ;50;按回车键;在弹出的Helix窗口中,Turn Directions:
Right Hand Pitch:
18.75(mm) Tuns:
3;
Radius change per Turn:
0点击OK。
在特性窗口中选择Attribute标签,将名字改为Helix。
(2)建立螺旋天线与同轴线相连的连接杆ring。
a.在菜单中点击Draw>Cylider,创建圆柱模型。
b.输入坐标为X:
11.25,Y:
0 Z;0 ,按回车键结束输入。
e.输入半径dX:
0.5 dY:
0 dZ:
0 ,按回车键结束输入,输入圆柱长度dX;0 dY:
0 dZ:
-3,按回 车键结束输入。
f.在特性窗口中选择Attribute选项卡,将名字改为ring,点击确定。
(3)创建球体Sphere1。
a.为了把Helix和ring连接起来,创建一个球体Sphere1
b.点击Draw>Sphere,输入球心坐标X:
22.5 Y:
0 Z:
0;按回车键结束输入。
c.输入球体半径,dX:
0.5 dY:
0 dZ:
0;在特性(Property)窗口中选择Attribute标签,将该圆柱的名字改为Sphere1。
(4)将Helix、ring和Sphere1结合起来。
a.在菜单栏中点击Edit>Select>By Name,在弹出的窗口中利用Ctrl键选择ring,Helix和Sphere。
b.在菜单栏中点击3Dmodeler>Boolean>Unite。
点击OK结束。
6、建立同轴线馈线。
(1)在菜单栏中点击Draw>Cylider,创建圆柱模型。
a.在坐标栏中输入圆柱中心点的坐标:
X:
11.25,Y:
0,Z:
-3按回车键结束输入。
b.在坐标栏中输入圆柱半径:
dX:
4,dY:
0,dZ:
0按回车键结束输入。
c.在坐标输入栏中输入圆柱的长度:
dX:
0,dY:
0,dZ:
-7按回车键结束输入。
d.在特性(Property)窗口中选择Attribute标签,将该圆柱的名字改为ringout。
(2)在菜单栏中点击Draw>Cylider,创建圆柱模型。
a.在坐标栏中输入圆柱中心点的坐标:
X:
11.25,Y:
0,Z:
-3按回车键结束输入。
b.在坐标栏中输入圆柱半径:
dX:
3.95,dY:
0,dZ:
0按回车键结束输入。
c.在坐标输入栏中输入圆柱的长度:
dX:
0,dY:
0,dZ:
-7按回车键结束输入。
d.在特性(Property)窗口中选择Attribute标签,将该圆柱的名字改为ringin。
(3)在菜单栏中点击Edit>Select>By Name,在弹出的窗口中利用Ctrl键选择ringout,ringin。
在菜单栏中点击3Dmodeler>Boolean>Subtract,在Subtract窗口中作如下设置:
Blank Parts:
ringout,Tool Parts:
ringin,Clone tool objects before subtract复选框不选。
点击OK结束设置。
(4)创建内导体ringcenter。
a.在菜单栏中点击Draw>Cylider,创建圆柱模型。
b.在坐标栏中输入圆柱中心点的坐标:
X:
11.25,Y:
0,Z:
-3按回车键结束输入。
c.在坐标栏中输入圆柱半径:
dX:
0.5,dY:
0,dZ:
0按回车键结束输入。
d.在坐标输入栏中输入圆柱的长度:
dX:
0,dY:
0,dZ:
-7按回车键结束输入。
e.在特性(Property)窗口中选择Attribute标签,将该圆柱的名字改为ringcenter
(5)在菜单栏中点击Edit>Select>By Name,在弹出的窗口中利用Ctrl键选择Helix和ringcenter。
在菜单栏中点击3Dmodeler>Boolean>Unite。
点击OK结束。
7、建立接地板
(1)在菜单栏中点击 DrawCircle,创建圆模型。
a.在坐标输入栏中输入圆中心坐标:
X:
11.25,Y:
0,Z:
-3 按回车键结束输入。
b.在坐输入栏中输入圆的半径:
dx:
37.5,dy:
0,dz:
0 按回车键结束输入。
c.在特性(property)窗口中选择 attribute 标签,将圆柱的名字修改为 groundplane.
(2)在菜单栏中点击 DrawCircle,创建圆模型。
a.在坐标输入栏中输入圆中心坐标:
X:
11.25 Y:
0 Z:
_3 按回车键结束输入。
b. 在坐输入栏中输入圆的半径:
dX:
1,dy:
0,dz:
0 按回车键结束输入。
(3)在菜单栏中点击 editselectby name,在弹出的窗口中利用 ctrl 键选择groundplanecircle,在菜单栏中点击 3DmodelerBooleansbstract,在 substract 窗口中 作 如 下 设 置 :
blankparts:
groundplanetoolpart:
circleclone tool objects beforesubstract 复选框不选。
点击 OK 结束设置。
8、创建辐射边界
(1)设置默认材料。
在工具栏中设置模型的默认材料为真空(vacuun)。
(2)创建Air。
a.在菜单栏中点击Draw>Cylider,创建圆柱模型。
b.在坐标栏中输入圆柱中心点的坐标:
X:
11.25,Y:
0,Z:
-10按回车键结束输入。
c.在坐标栏中输入圆柱半径:
dX:
50,dY:
0,dZ:
0按回车键结束输入。
d.在坐标输入栏中输入圆柱的长度:
dX:
0,dY:
0,dZ:
150按回车键结束输入。
e.在特性(Property)窗口中选择Attribute标签,将该圆柱的名字改为Air,按确定键结束。
在3D模型窗口中以合适大小显示(可用Ctrl+D操作)。
(3)设置辐射边界。
a.在菜单栏中点击Edit>Select>By Name,在弹出的窗口中选择Air,点击OK按钮。
b.在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Radiation。
在辐射边界窗口中,将辐射边界命名为Rad1,点击OK结束。
9、创建波端口
同轴线采用波端口激励,首先要创建波端口面,并将其设置为波端口。
(1)创建端口圆面模型,在菜单栏中点击Draw>Circle。
a.在坐标栏中输入圆心点的坐标:
X:
11.25,Y:
0,Z:
-10按回车键结束输入。
b.在坐标栏中输入圆半径:
dX:
3.95,dY:
0,dZ:
0按回车键结束输入。
c.在特性(Property)窗口中选择Attribute标签,将该圆柱的名字改为p1。
(2)设置波端口。
a.在菜单栏中点击Edit>Select>By Name,在弹出的窗口中选择p1,在菜单栏中点击HFSS>Exciations>Assign>Lumped Port。
b.在Lumped Port窗口中General标签中,将该端口命名为wave。
d.在Modest标签中设置积分线,在Integration Line中点击None,选择New Line,在坐标栏中输入X:
15.2,Y:
0,Z:
-10按回车键结束输入。
e.在坐标栏中输入圆半径:
dX:
-3.45,dY:
0,dZ:
0。
点击Next直至结束。
10、辐射场角度设置
在菜单栏中点击HFSS>Radiation>Insert Far Field Setup>Infinite Sphere,在辐射远场对话窗中做一下设置:
Name:
ff-2d;Phi:
(Start:
0,Stop:
180,Step Size:
90);Theta:
(Start:
0,Stop:
360,StepSize:
10)。
点击OK按钮。
11、求解设置
(1)设置求解频率。
a.在菜单栏中点击HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup。
b.在求解设置窗口中做一下设置:
Solution Frequency:
4GHZ;
Maximum Number of Passes:
15;
Maximun Delta S per Pass:
0.02;点击OK按钮。
(2)设置扫频。
a.在菜单栏中点击HFSS>Analysis Setup>Add Sweep。
b.选择Setup1,点击OK按钮。
在扫频窗口中做一下设置:
Sweep Type:
Interpolating
Frequency Setup Type:
Linear Count
Start:
3.5GHZ
Stop:
4.5GHZ
Count:
200
c.将Save Field复选框选中,点击OK按钮确认,这一步操作为了将扫频中每一频点的场都保存下来。
12、确认设计
由主菜单选HFSS/Validation Check对设计进行确认,如图3。
图3 确认设计
如图3所示均打勾即可,点Close结束。
13、保存工程
在菜单栏中点击File>Save As,在弹出的窗口中将工程命名为hfss-luoxuan,并选择保存路径。
14、求解该工程
在菜单栏点击HFSS>Analyze。
可能会花几个小时,耐心等待。
15、后处理操作
(1)S参数(反射系数)。
绘制该问题的反射系数曲线,该问题为单端口问题,因此反射系数是S11。
a.点击菜单栏HSFF>Result>Creat Report。
b.在创建报告窗口中做以下选择:
Report Type:
Modal S Parameters;Display Type:
Rectangle点击OK按钮。
c.在Trace窗口中做以下设置:
Solution:
Setup1:
Sweep1;
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 微波 课程设计 概述